開關電路、開關系統、控制器電路以及電功率轉換裝置製造方法
2023-09-19 16:02:30
開關電路、開關系統、控制器電路以及電功率轉換裝置製造方法
【專利摘要】本發明提供了用於功率變換應用的開關電路、開關系統、控制器電路以及電功率轉換裝置的新設計。用於功率變換應用的開關電路，所述開關電路包括第一基於矽的雙極型開關裝置和包括寬帶隙半導體的第二開關裝置，所述第一和第二開關裝置是並聯連接的。將主矽雙極型開關並聯連接於由寬帶隙材料形成的緩衝開關（snubber?switch）。在主矽開關的接通和/或關閉期間啟動緩衝開關以便最大限度地減少開關損耗和分路安全操作區域限制。
【專利說明】開關電路、開關系統、控制器電路以及電功率轉換裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及功率器件、開關電路和控制器電路的領域，尤其用於高功率高電壓應用。功率器件可以在至少上達至600伏特的阻斷電壓下操作並在接通狀態下具有至少大約10安培(IOA)的額定值。尤其是，本發明涉及在高電壓高功率開關(和二極體)中通態和開關損耗的最小化。
【背景技術】
[0002]由於電導率調製，基於矽的雙極型功率開關裝置如絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)、雙極型結型電晶體(BJT)或晶閘管狀門極關斷晶閘管(GTO)或金屬-氧化物-半導體(金氧半導體，M0S)控制晶閘管(MCT)具有高阻斷電壓和低直流電流(DC)功率損耗。對於高電壓高功率轉換電路，矽(Si )雙極型器件通常是優選技術，其需要具有大約600V或更高阻斷電壓的功率開關。
[0003]然而，Si雙極型功率器件的開關損耗相對較高。由於在高電壓條件下發生提取存儲的少數載流子電荷，Si雙極型器件的關閉損耗較高。由於在接通以後用少數載流子充滿整個裝置厚度所需要的時間，接通損耗也可以是顯著的。另外，在這樣的器件(裝置)中，在高電場的條件下，由於雪崩倍增，高密度載流子等離子體經常是不穩定的。
[0004]通常，在矽雙極型器件中防止過度的開關損耗，以及避免由於同時高電流高電壓操作導致出現不穩定將是有利的。
[0005]因此，需要提供固態器件和電路、以及其控制器電路的新設計，其將減輕或至少緩和一些上述缺點。
【發明內容】
[0006]本發明的一個目的是減輕至少一些現有技術的上述缺點並提供相對於現有技術(高電壓)的基於矽的開關電路和裝置(器件)的改善的替代方案。
[0007]尤其是，本發明的至少一些實施方式的一個目的是在高功率高電壓矽雙極型開關裝置中降低開關損耗。
[0008]本發明的至少一些實施方式的另一個目的是防止由於同時高電流高電壓操作導致的矽雙極型器件的不穩定。
[0009]可以藉助於如在本發明實施方式中定義的開關電路和控制器電路來至少部分地實現本發明的這些和其它目的。以及在本發明中定義的優選實施方式實現本發明的其它目的。
[0010]根據本發明的第一方面，提供了開關電路。開關電路包括第一基於矽的開關裝置(在下文中也稱為主開關或操作開關裝置)和第二開關裝置(在下文中也稱為緩衝器(snubber)或緩衝開關(snubber switch)),其包括寬帶隙半導體材料(如碳化娃或第三族氮化物，如將在下文進一步描述的)。第一開關裝置和第二開關裝置是並聯連接的。本發明的本實施方式是有利的:它在基於娃的開關裝置如在娃(Si)雙極型開關中提供了克服聞開關損耗和載流子等離子體不穩定性的方式。開關電路或裝置包括並聯連接的並且可以稱作複合開關的第一開關裝置和第二開關裝置。
[0011]第一開關裝置可以稱為主矽雙極型開關，而第二開關裝置可以是快速(相對於第一開關裝置的開關速度)緩衝開關，例如包括碳化矽。至少在主開關的關閉期間，可以啟動(即接通)緩衝開關以便使主雙極型開關的高集電極電位鉗位於低值。
[0012]如將在下文進一步說明的，還可以在主開關的接通期間啟動緩衝開關。
[0013]藉助於第二開關裝置(緩衝開關)，以及尤其是它的緩衝效果，在來自例如高壓電源的高電流轉換中在接通和關閉期間，產生的開關電路變得較少受到來自例如峰值功率耗散的損壞，雖然第一開關裝置可能會受到來自上述峰值功率耗散的損壞。
[0014]按照一種結構，第一開關裝置(或主Si雙極型開關)的輸出端電連接於第二開關裝置(或緩衝開關)的輸出端，並且第一開關裝置(或主Si雙極型開關)的輸入端電連接於第二開關裝置(或緩衝開關)的輸入端。使用這些輸出端和輸入端用於向第一和第二開關裝置施加操作電壓以便實現開關電路的開關操作。換句話說，第一開關裝置的主電流通路並聯連接於第二開關裝置的主電流通路。
[0015]關於用於緩衝開關的寬帶隙半導體材料，利用寬帶隙(WBG)半導體材料如SiC或第三族氮化物，可以實現比藉助於矽雙極型器件可獲得的快得多的高電壓轉換。此類材料具有的帶隙寬於Si的帶隙並且由於例如它們的極高擊穿場，對於碳化矽和第三族氮化物其大約10倍高於在矽中的擊穿場，從而呈現出相對於矽的顯著優點。
[0016]優選地，根據本發明的開關電路，配置開關電路以用於高功率高電壓開關應用。
[0017]優選地，根據本發明的開關電路，其中，第一開關裝置是矽雙極結型電晶體並且第二開關裝置包括以下至少一種=SiC雙極結型電晶體、SiC結型場效應電晶體、SiC金屬半導體場效應電晶體、SiC金屬-氧化物-半導體場效應電晶體、SiC絕緣柵雙極型電晶體和基於GaN的異質結場效應電晶體。
[0018]優選地，根據本發明的開關電路，其中，第二開關裝置包括級聯電路，級聯電路包括寬帶隙場效應電晶體，優選通常是接通的，和低電壓矽M0SFET，優選通常關閉的。
[0019]優選地，根據本發明的開關電路，其中，低電壓矽MOSFET具有由齊納二極體鉗位的源極端子和漏極端子。
[0020]優選地，根據本發明的開關電路，其中，在第一晶片中實現第一開關裝置以及在第二晶片中實現第二開關裝置，晶片被設置為在包裝中的混合組件。
[0021]優選地，根據本發明的開關電路，進一步包括反並聯整流二極體。
[0022]兩種類型的WBG半導體材料被設想用於製作根據本發明的實施方式的高電壓高功率器件。WBG半導體材料的第一組的代表是六角多型體(結晶改性)的碳化矽，SiC。在那些多型體中，4H SiC多型體被優選用於製造高功率高電壓開關電路，因為它呈現高電子遷移率和高擊穿場的最有利組合。用於功率器件應用的WBG半導體材料的第二組的代表是氮化鎵(GaN)，以及它與氮化鋁(AlN)的合金、與氮化銦(InN)的合金、或與AlN和InN的合金。基於GaN的合金還將稱作AlGalnN。
[0023]在下文中，由於它們的用於高電壓高功率器件應用的有利的性能和/或可用的晶體尺寸和質量，例如將4H-SiC和AlGaInN設想為WBG材料。將可以理解的是，可以設想為高電壓高功率器件應用提供相同優點的其它WBG半導體材料。[0024]寬帶隙半導體材料的耐壓區可以是10倍薄於(或對於橫向器件設計，短於)矽中的耐壓區。另外，在寬帶隙材料器件中的耐壓區的多數載流子電荷可以大約10倍高於在矽中的耐壓區的多數載流子電荷。因此，耐壓層的電導可以是100倍高於具有相同面積的多數載流子矽器件和相同電壓額定值的多數載流子矽器件的電導。
[0025]雖然，使用WBG開關技術可獲得的最大功率水平低於矽，這是因為可用的晶片遠小於矽的可用的晶片，尤其是因為在大面積器件中在WBG材料中的缺陷密度(例如「致命缺陷」)是過高的，所以利用WBG材料在功率開關裝置中可以實現非常高的開關速度。對於碳化矽，可以實現對於雙極結型電晶體(BJT)、對於垂直MOSFET、和對於垂直JFET的快速高功率開關。功率AlGaInN器件可以基於橫向型異質結FET設計的不同變型。在本申請中，高電壓應用的下限可以定義為大約1000伏特。
[0026]在本發明的實施方式中，可以選擇緩衝開關的晶片尺寸和電流額定值以維持相同的通態電流，由於在脈衝操作條件下主開關的額定電流為緩衝開關提供的通態電壓降大約是在所述主開關的額定電流下主開關的通態電壓降的1.5至10倍。
[0027]按照本發明的第二方面，提供了控制器電路。控制器電路可連接於如按照本發明的第一方面所定義的或如在下文描述的任何實施方式中所定義的開關電路。配置控制器電路以在主開關(即第一開關裝置)的接通和/或關閉期間啟動第二開關裝置。
[0028]控制器電路可以包括在相同晶片內或作為獨立的(standalone)電路元件的驅動級。
[0029]在低端電壓的條件下，可以繼續進行主開關的接通和關閉，這是因為在對應於接通和關閉時間的瞬態期間，可以由通態緩衝開關來鉗位端偏壓。由於耗散功率是電流與電壓的積，在主開關中的開關損耗減少(並且優選地最小化)。由於WBG開關所固有的快速接通和關閉，緩衝開關的開關損耗可以較低。
[0030]僅在複合開關的(小)部分的總接通時間期間內可以操作緩衝開關。緩衝開關的脈衝操作會減輕WBG器件所固有的熱限制。可以選擇在WBG緩衝器中的電流密度以遠高於在開關模式功率轉換器中可用於WBG開關的獨立操作的電流密度。
[0031]優選地，根據本發明的控制器電路，其中，配置控制器電路以在第一開關裝置的關閉期間啟動第二開關裝置至少一段時間，所述至少一段時間對應於在第一開關裝置中少數載流子的壽命的一倍至數倍。
[0032]優選地，根據本發明的控制器電路，其中，配置控制器電路以在接通第一開關裝置以後啟動第二開關裝置一段時間，所述一段時間持續第一開關裝置的接通期的至少四分之一，以及優選等於第一開關裝置的接通期。
[0033]優選地，根據本發明的控制器電路，配置所述控制器電路以隨著第一開關裝置的結溫的增加而增加第二開關裝置的接通期的持續時間。按照本發明的實施方式的複合開關，具有相對於獨立雙極型矽和WBG組件的若干優點。例如，因為可以在接近零電壓的條件下發生接通，而可以在接近零電流條件下發生關閉，減少了基於矽的主功率開關的開關損耗。
[0034]本發明的實施方式是有利的，由於高密度載流子等離子體不再暴露於高電場，所以放鬆了在矽開關的安全操作區(SOA)上的常規限制。因此，可以優化或至少改善雙極型開關設計，用於實現低通態電阻，否則由於可能的SOA限制，其將是不可接受的。因此還可以減少主開關的通態DC損耗。
[0035]另外，在WBG緩衝開關中可獲得的電流水平高於將相同WBG開關用作獨立的開關裝置可獲得的電流。此較高電流導致WBG緩衝開關的通態電壓的增加。然而，緩衝開關的總通態時間可以遠短於主開關的通態時間；因而，在緩衝器處增加的電壓降並不顯著影響總能量損失。
[0036]在另一方面，和僅使用WBG功率開關的常規功率轉換器設計所需要的晶片尺寸相t匕，複合開關的WBG組件可以使用小得多的晶片尺寸。除由於減小了 WBG組件的尺寸的經濟方面的改善以外，在建造由於有限的晶片尺寸導致藉助於現有的WBG技術不可獲得的高功率電力轉換系統方面本發明的實施方式是有利的。
[0037]對於控制開關電路的組件或器件，控制器電路可以裝備有至少一個傳感探頭。例如，可以提供電流傳感器以便及時檢測在負載中的短路狀況。按照一個實施方式，主開關可以是矽BJT或矽絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)。
[0038]按照另一個實施方式，緩衝開關可以包括以下至少一種:SiC雙極結型電晶體(BJT)、SiC結型場效應電晶體(JFET)、SiC金屬半導體場效應電晶體(MESFET)、SiC金屬-氧化物-半導體場效應電晶體(MOSFET)和SiC絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)。
[0039]按照另一個實施方式，緩衝開關可以是AlGaInN異質結場效應電晶體，其還可以稱作基於GaN的異質結場效應電晶體(因為在電晶體中採用的AlGaInN組成具有GaN作為二元或三元合金的主要成分)。
[0040]按照一個實施方式，緩衝開關可以包括級聯電路，級聯電路包括(通常接通的)WBG場效應電晶體和第二(低電壓)(通常關閉的)基於矽的組件。尤其是，第二組件可以是低電壓通常關閉的M0SFET。通常關閉組件的串聯可以提供另外的安全特點，其在高功率應用中是有利的。
[0041]按照一個實施方式，低電壓矽MOSFET可以具有源極端子和由齊納二極體鉗位的漏極端子。
[0042]按照一個實施方式，可以在第一晶片中實現第一開關裝置並且可以在第二晶片中實現第二開關裝置，其中晶片被設置為在包裝中的混合組件。換句話說，可以提供混合封裝組件，包括具有緩衝開關的晶片和具有主開關的晶片，上述兩個晶片作為混合組件並聯連接。可以提供具有用於連接開關的陽極和陰極的兩個引線，以及用於控制電極的兩個引線的包裝。在這種情況下，控制電極是代表柵極(如果開關是電壓控制的)或代表基極(如果開關是BJT)的通用名。
[0043]按照一個實施方式，可以提供包括具有緩衝開關的晶片和具有主開關的晶片的混合元件，其中上述兩個晶片是並聯連接的。另外，混合元件可以包括反並聯的整流二極體。反並聯二極體連接是指並聯電路連接，但是通態二極體電流的方向與開關通態電流的方向相反。可以在單個物理包裝中包裝三個器件(第一開關裝置、第二開關裝置和反並聯二極體)作為混合組件。包裝可以提供有用於連接開關的陽極和陰極的兩個引線、以及用於連接控制電極兩個引線。
[0044]按照一個實施方式，提供了包括至少兩個如在任何一個前述實施方式中定義的開關裝置的開關系統。例如，可以在一個模塊中共同包裝6個相同電路作為混合組件。每個開關電路可以包括並聯連接的主矽雙極型開關和緩衝開關，以及可選地反並聯連接的整流二極體，如在前述實施方式中定義的。包裝可以提供有用於連接開關的陽極和陰極的引線、以及用於連接6個電路的每一個的控制電極的引線。
[0045]更具體地參照如在本發明的第二方面中定義的控制器電路，按照一個實施方式，可以配置控制器電路以至少在對應於在第一開關裝置中少數載流子的壽命一倍至數倍的一段時間的期間啟動第二開關裝置。
[0046]按照一個實施方式，可以配置控制器電路以在第一開關裝置的接通以後啟動第二開關裝置持續第一開關裝置的接通期的至少四分之一，以及優選等於第一開關裝置的接通期的一段時間。本實施方式是有利的，因為可以配置控制器電路以在第一開關裝置中注入載流子所需要的時間期間啟動第二開關裝置，從而避免第一開關裝置的通態電壓的過衝。
[0047]按照一個實施方式，可以配置控制器電路以隨著第一開關裝置的結溫的增加而增加第二開關裝置的接通期的持續時間。
[0048]將可以理解的是，控制器電路可以有利地配置以檢測任何開關裝置的過度正向電壓降的情況。可以在開關電路和控制器電路之間提供反饋迴路。按照又一方面，提供了開關模式電功率轉換裝置。開關模式電功率轉換裝置包括如在任何一個前述實施方式中所定義的開關電路或開關系統以及如在任何一個前述實施方式中所定義的控制器電路。
[0049]依據以下詳細披露內容、附圖和所附權利要求，本發明的另外的目的、特點、和優點將變得顯而易見的。另外，將可以理解的是，可以組合本發明的不同特點以產生不同於下文描述的那些實施方式的實施方式。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0050]通過本發明的優選實施方式的以下說明性的和非限制性的詳細描述，並參照附圖，將更好地理解本發明的上述、以及另外的目的、特點和優點，其中:
[0051]圖1示出了按照一個實施方式的開關電路的示意圖；
[0052]圖2示出了按照本發明的一個實施方式的開關電路的接通和關閉順序；
[0053]圖3是示出按照本發明的一個實施方式作為時間的函數的在開關電路中存儲的少數載流子電荷的水平的曲線圖；
[0054]圖4示出代表複合開關設計的電路，複合開關包括按照一個實施方式的緩衝開關的級聯連接；以及
[0055]圖5示出按照一個實施方式的包括提供有反並聯整流二極體的複合開關的電路。
[0056]所有附圖均是示意性的，不必按規定比例，並且通常僅示出用來闡明本發明的必要部分，其中可以省略或只是提示其它部分。
【具體實施方式】
[0057]參照圖1，示出了按照示例性實施方式的開關電路的示意圖。
[0058]圖1示出包括作為主開關的第一開關裝置110和作為緩衝開關(緩衝器)的第二開關裝置120的開關電路100。在本實施例中，緩衝開關120是快速開關，其可以是SiC BJT。然而，緩衝開關120還可以是JFET、MESFET、MOSFET、或IGBT，優選包含SiC以致緩衝開關的轉換是非常快速的。確實，SiC提供了在SiC功率器件中產生非常薄的漂移區的高擊穿場。另外，對於SiC器件，安全操作區(SOA，S卩，在高電場條件下免於等離子體不穩定性的區)是非常寬的，其在大多數情況下會消除(或至少顯著減少)在接通和關閉條件下對SiC器件的穩定性的憂慮。這也適用於碳化矽BJT，和其它功率器件相比，其具有非常小的存儲少數載流子電荷。
[0059]如果第二開關裝置120 (即，緩衝器(開關))是基於SiC技術且通常是接通-FET的，那麼安全性考慮會支配(指示，dictate)級聯電路，其中將低電壓MOSFET作為級聯電路的第二部件。低電壓MOSFET可以不必由SiC製成並且可以包含其它半導體材料，如，例如Si。低電壓MOSFET將不會損害開關電路的開關速度，這是因為任何瞬態都是由高電壓組件來支配(管理)的。
[0060]另外，可以將控制器或驅動器200連接於開關電路100用於控制緩衝開關120的操作。可以配置控制器以按照具體方案來接通或關閉緩衝開關，將在下文中更詳細地描述。為此目的，每一個開關電路100的第一和第二開關裝置110和120可以包括用於接收來自驅動器200的控制信號的控制輸入端。
[0061]參照圖2和3，在主開關的接通和關閉期間，可以啟動(接通)碳化矽開關120，而對於第一通態期和第二通態期，脈衝長度分別為Tl和T2。對於主開關關閉，在主開關110中的少數載流子電荷顯著減少以前，由開通狀態的緩衝開關120定時提供電源電壓的(至少幾乎)全鉗位。緩衝開關120的鉗位關閉脈衝寬度T2可以優選是在主雙極型開關110中的少數載流子壽命的I倍至數倍。在關閉緩衝開關120以後，在非常低的少數載流子電荷的情況下發生反向電壓恢復，由於雪崩倍增以及耗散過量功率，其阻礙自由載流子等離子體的不穩定性的發展。
[0062]考慮到載流子等離子體不穩定性導致的對組件的可能損壞，主矽雙極型開關的接通一般不作為不利因素，這是因為在接通期間雙極型開關的端電壓迅速下降。另一方面，在接通期間的功率損耗可與在關閉期間的那些功率損耗相比。高接通損耗的一個原因是緊接著在接通以後的立即提高的雙極型開關的通態電壓，所謂的通態電壓過衝。少數載流子需要一定時間來分布於耐電壓層的整個厚度。正是在載流子再分配時間期間，動態通態電壓遠高於對於相同電流的穩態電壓。在雙極型器件中載流子再分配時間通常可與少數載流子壽命相比。因此優選的是接通脈衝持續時間T2是關閉脈衝的至少1/4至1/2之間。
[0063]進一步優選的是在主開關的接通期間，緩衝開關通態的持續時間Tl可與關閉的持續時間T2相比。
[0064]按照一個實施方式，可以配置控制器200以致在接通和關閉緩衝脈衝之間可以將緩衝開關120保持在關閉狀態或近乎關閉狀態(即，在開關電路的接通時間和關閉時間之間)。換句話說，可以僅在最終需要最小功率耗散的時間間隔(即，當並不是最終需要時，關閉緩衝器)時啟動(或使用)緩衝器件120。本實施方式在減輕熱限制方面是有利的，由於隨著溫度提高SiC中的電子遷移率迅速降低，熱限制可以與SiC開關技術相關。在第一開關裝置110的整個接通期期間，將緩衝開關120用作主開關電流的部分旁路可以增加緩衝開關120的通態電阻，並導致當需要高電流時在接通和關閉緩衝脈衝期間增加的功率損耗。如果將SiC BJT用作緩衝開關，則將緩衝開關120的通態限於第一開關裝置的接通和關閉(即，在接通脈衝和關閉脈衝之間維持緩衝開關關閉狀態)也是特別有利的，這是因為，否則的話，在Si傳導周期期間它將變得太熱並從而損失一部分的電流增益並且也消耗高基極電流。因此，藉助於本實施方式，當限制功率耗散時(尤其是，在Si器件瞬態期間經由緩衝開關120的功率耗散)，提供了更可靠的開關裝置。
[0065]另外，在高電壓下，例如對於1000V和更高的額定值，本發明的實施方式是特別有利的，在這種情況下，有關反向恢復的問題是最嚴重的。
[0066]將可以理解的是，控制器電路的功能並不限於在預先確定的時間接通或關閉開關組件。控制器可以優選調節接通時間(脈衝寬度)和主開關的相以便將所期望的功率提供至負載中。也可以配置採用複合開關的功率轉換電路以將在負載如電動機中累積的能量返回到供電網絡中。典型的控制器可以有利地包括某些反饋元件，如被放置在功率轉換電路的功率輸入和功率輸出處的電流和電壓傳感器。還可以將電壓和電流傳感器放置在功率開關組件的附近，例如，以檢測過度的正向電壓降。控制器還可以有利地包括某些安全功能，諸如，如果發生過載情況，在過載情況下關閉電力開關以便及時關閉受控變流器。對於高功率轉換電路的任何控制器，此類控制器功能是通用的。然而，存在某些另外的可能性，用於改善或優化複合開關的操作，其並不是常規設計結構特有的。
[0067]主雙極型開關可以提供有溫度傳感器。可以進一步配置控制器以隨著主開關溫度增加而增加Tl和T2的持續時間，從而解釋了隨著增加的結溫矽中少數載流子壽命的增加。
[0068]參照圖4，描述了按照一個實施方式的開關電路。
[0069]圖4示出了具有碳化矽JFET 410、Si IGBT 430以及經由級聯連接的矽LV (低電壓)MOSFET 420的複合開關。通常地，通態SiC JFET開關410提供與低電壓矽MOSFET 420的級聯連接以便確保產生的電路的通常關閉操作。在MOSFET 420的MOSFET門電路421處的正偏壓打開JFET410和MOSFET 420。在MOSFET 420的門電路421處的零偏壓將關閉MOSFET 420。通過可以阻斷低電壓MOSFET 420的最大電壓，JFET源412的電位將超過JFET門電路411電位。藉助於MOSFET的適當選擇，可以實現高電壓JFET的可靠的關閉狀態，SP使其導致對於SiC緩衝開關410的驅動器沒有可獲得的功率。優選的是，MOSFET 420具有內置的齊納二極體功能以便維持基本恆定的最大電壓，以及承受雪崩情況而不會損壞。如果後者不是具有所選MOSFET的情況，那麼可以提供外部矽MOSFET用於鉗位MOSFET 420的源極電極和漏極電極422和423。相同的級聯電路可以用於驅動基於GaN的正常通態FET。
[0070]在同一包裝中安裝複合開關的主組件和緩衝組件具有進一步的優點。這樣的共同包裝將降低包裝成本以及使兩個並行組件之間的電壓偏移最小化，如果在分開的包裝中安裝主開關和緩衝開關，則難以消除電壓偏移。藉助於高電流水平和大約幾十納秒的快速瞬態，由於寄生引線電感，在兩個組件之間的瞬態電壓偏移可以總計達一百伏特以上。如果將晶片安裝入同一包裝，則可以最小化或至少減小上述寄生電感。
[0071]將可以理解的是，實際混合包裝可以包括一個以上的相同類型的晶片，尤其是如果不容易獲得某種類型的大面積晶片。作為一個實例，共同包裝可以包括單個IGBT晶片以及兩個或更多WBG開關。作為另一個實例，它可以包括IGBT和級聯電路，其包括正常接通低電壓矽MOSFET晶片和高電壓正常關閉WBG開關，如圖4所示。
[0072]將主開關和緩衝開關連同反並聯整流二極體共同包裝具有進一步的優點，如圖5所示。圖5示出了相當於上文參照圖1所描述的開關電路100的開關電路500，不同之處在於，它進一步包括反並聯整流二極體550。在圖5中，由於開關可能不是單方向的，箭頭指示在開關中的電流流動方向。反並聯整流二極體550可以是廣泛存在於開關模式功率轉換技術中的所謂的半橋式電路和全橋式電路的一部分。可以優選將上述混合組件安裝在絕緣陶瓷載體上以電絕緣熱沉。
[0073]半橋式電路包括兩個開關，其各自具有反並聯二極體。全橋式變換電路可以包括用於兩相應用的四個開關或組件或用於三相應用的六個開關或組件。
[0074]共同包裝的複合開關可以包括至少三個晶片，即主Si雙極型開關、緩衝WBG開關和反並聯高電壓整流二極體。整流二極體的電壓和電流額定值可以優選接近於主矽雙極型開關的電壓和電流額定值。反並聯二極體可以是高電壓高功率p-1-n型矽二極體。更優選地，整流二極體550可以是碳化矽或GaN肖特基勢壘整流器。碳化矽肖特基勢壘整流器可以具有非常低的存儲電荷，從最小化(或至少減少)開關損耗的角度考慮，其是有利的。
[0075]按照一個實施方式，有利的是，如果將SiC或GaN肖特基勢壘整流器輔以碳化矽P-1-n 二極體，肖特基和p-1-n整流器具有相同的極性。在正常操作條件下，SiC p-1-n整流器具有比肖特基整流器更高的正向電壓降；然而，它的正向電壓降並不像肖特基整流器那樣快地隨電流而增加。因此，和SiC肖特基整流器相比，SiC p-1-n整流器相對於浪湧電流是更加穩定的。可以在混合包裝中以單獨的晶片提供P-1-n SiC整流器。甚至更有利地，可以將與P-1-n 二極體合併的肖特基整流器安排在同一晶片中，其將減少總晶片數量。
[0076]如果混合組件包括如圖5所示與反並聯二極體連接的六個獨立的複合開關，這也是有利的。將可以理解的是，可以在絕緣陶瓷基板上安排上述6-開關組件。6-開關混合組件將包括3-相開關模式功率轉換器所需要的所有高功率器件。
[0077]某種2-電壓水平全橋式結構可以需要僅一半的在高開關頻率下運行或操作的開關組件，而可以在50Hz或60Hz的電力線頻率下運行或操作另一半。將可以理解的是，對於在高開關頻率下僅運行的一半開關組件，此類2-電壓水平結構可能需要按照本發明的實施方式的複合開關。
[0078]綜上，提供了聞功率開關電路和控制器電路的新設計。將主娃雙極型開關並聯連接於由寬帶隙材料形成的緩衝開關。在主矽開關的接通和/或關閉期間啟動緩衝開關以便最大限度地減少開關損耗以及分路(分流，旁路，bypass)安全操作區域限制。
[0079]雖然已參照其具體示例性實施方式描述了本發明，但對於本領域技術人員來說，許多不同的改變、改進等將變得顯而易見的。因此，所描述的實施方式並不意在限制如在所附權利要求中限定的本發明的範圍。
【權利要求】
1.一種用於功率變換應用的開關電路，所述開關電路包括第一基於矽的雙極型開關裝置和包括寬帶隙半導體的第二開關裝置，所述第一和第二開關裝置是並聯連接的。
2.根據權利要求1所述的開關電路，配置所述開關電路以用於高功率高電壓開關應用。
3.根據權利要求1或2所述的開關電路，其中，所述第一開關裝置是矽雙極結型電晶體並且所述第二開關裝置包括以下至少一種:SiC雙極結型電晶體、SiC結型場效應電晶體、SiC金屬半導體場效應電晶體、SiC金屬-氧化物-半導體場效應電晶體、SiC絕緣柵雙極型電晶體和基於GaN的異質結場效應電晶體。
4.根據權利要求1或2所述的開關電路，其中，所述第二開關裝置包括級聯電路，所述級聯電路包括寬帶隙場效應電晶體，優選通常是接通的，和低電壓矽MOSFET，優選通常關閉的。
5.根據權利要求4所述的開關電路，其中，所述低電壓矽MOSFET具有由齊納二極體鉗位的源極端子和漏極端子。
6.根據前述權利要求中任一項所述的開關電路，其中，在第一晶片中實現所述第一開關裝置以及在第二晶片中實現所述第二開關裝置，所述晶片被設置為在包裝中的混合組件。
7.根據前述權利要求中任一項所述的開關電路，進一步包括反並聯整流二極體。
8.一種開關系統，包括至少兩個根據權利要求1-7中任一項所述的開關裝置。
9.一種可連接於根據權利 要求1-8中任一項所述的開關電路或開關系統的控制器電路，配置所述控制器電路以在所述第一開關裝置的接通和/或關閉期間啟動所述第二開關>j-U ρ?α裝直。
10.根據權利要求9所述的控制器電路，其中，配置所述控制器電路以在所述第一開關裝置的關閉期間啟動所述第二開關裝置至少一段時間，所述至少一段時間對應於在所述第一開關裝置中少數載流子的壽命的一倍至數倍。
11.根據權利要求9所述的控制器電路，其中，配置所述控制器電路以在接通所述第一開關裝置以後啟動所述第二開關裝置一段時間，所述一段時間持續所述第一開關裝置的接通期的至少四分之一，以及優選等於所述第一開關裝置的接通期。
12.根據權利要求9所述的控制器電路，配置所述控制器電路以隨著所述第一開關裝置的結溫的增加而增加所述第二開關裝置的接通期的持續時間。
13.一種開關模式電功率轉換裝置，包括根據權利要求1-8中任一項所述的開關電路或開關系統和根據權利要求9-12中任一項所述的控制器電路。
【文檔編號】H03K17/687GK103516341SQ201310251209
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年6月21日 優先權日:2012年6月21日
【發明者】安德烈·康斯坦丁諾夫 申請人:飛兆半導體公司